KR19990025684A - 자동차용 산소 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 배기 가스 중의 산소 농도를 측정하기 위한 자동차용 산소 센서(O₂센서)에 관한 것으로, 자동차 배기 가스의 이물질로부터 산소 센서 소자를 보호하는 보호 튜브와 산소 센서의 중심 몸체인 육각 홀더를 일체화시켜 부품수 및 조립 공수를 줄일 수 있는 특징을 갖는다. 또한, 위와 같이 제작한 보호 튜브 일체형 육각 홀더의 보호 튜브부에 예각의 구멍을 뚫어 배기 가스가 센서 소자가 있는 내부쪽으로 회전하면서 들어올 수 있도록 함으로써 센서의 출력 특성을 향상시키고, 보호 튜브부의 길이를 짧게 함으로써 세라믹 센서의 강도 및 내구성 향상에 기여한 특징을 갖는다.

Description

자동차용 산소 센서

본 발명은 배기 가스 중의 산소 농도를 측정하기 위한 자동차용 산소 센서(O₂센서)에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 전자제어식 연료분사장치는 인젝터와 연료 분사량을 제어하는 ECU(Eletric Control Unit)를 이용하여 엔진에서 필요로 하는 혼합기의 공급하는 장치로서, 엔진의 회전 속도, 흡기 공기량, 냉각수 온도 및 흡입 공기 온도 등, 엔진의 상태를 각종 센서로 검지한 후, 연산하여 각 운전 조건에 가장 적합한 혼합기의 공급을 유효 적절하고 정밀하게 하는 장치이다.

상기와 같이, 자동차의 전자제어식 연료분사장치는 엔진의 상태를 검지하기 위하여 여러 가지 기능을 수행하는 각종 센서를 구비하고 있는 바, 이하에서는 그 각종 센서 중에서 산소 센서에 대하여 설명하기로 한다.

통상적으로 산소 센서는 삼원 촉매식 차량에 필요한 것으로, 배기 가스 중의 산소 농도를 전기적으로 검출하는 작용을 한다. 삼원 촉매가 가장 좋은 정화 성능을 발휘하기 위하여는 공연비를 모든 운전 조건 하에서 항상 이론 공연비 부근의 좁은 범위가 되도록 제어할 필요가 있다. 따라서 삼원 촉매 컨버터에 들어가기 전의 배기 가스 중에 포함된 산소 농도를 정확히 검출하여 이것을 ECU로 보내어 연료의 분사량이 항상 이론 공연비에 가까운 상태를 유지하도록 한다.

즉, 산소 센서의 온도가 높아지면 백금의 촉매 작용에 의하여 이론 공연비를 경계로 하여 기전력이 급변하는 특성이 나타나기 때문에 산소 센서를 배기관 내부에 설치하여 외면을 배기 가스에 접촉되도록 하고, 내면에는 대기를 도입하여 배기 가스 중의 산소 농도를 기전력에 의해 검출한다.

상기와 같은 산소 센서의 전형적인 실시 형태가 미국 특허 번호 (U.S.PAT NO) 제 4,507,192호와, 제 4,624,770호 등에 알려지고 있는 바, 그 일례를 첨부 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 의한 산소 센서의 하우징(HOUSING)은 크게, 중심 몸체 역할을 하는 육각 홀더(1)와, 센서 소자 및 소형 세라믹 히터(HEATER)를 배기 가스에 포함된 각종 이물질로부터 보호하기 위한 보호 튜브(11)로 나눌 수 있다.

상기 육각 홀더(1)는 외주면에 나사산(2)이 형성되어 배기관(도시하지 않음)에 고정될 수 있도록 되어 있으며, 내측의 하단부에 세라믹 센서 소자(3)가 구비되어 있다.

상기 보호 튜브(11)는 외주면에 소정의 간격을 두고 수개의 편향판(12)이 반달 모양으로 내측을 향하여 벤딩처리 되어 있으며, 그 편향판(12)의 벤딩에 의하여 보호 튜브(11)의 내외부를 통하는 수개의 흡기공(13)이 형성되어 있다.

상기 편향판(12)은 보호 튜브(11)의 내주면에 일정한 방향성을 갖고 형성되어 있어, 배기 가스의 유입이 원활하도록 되어 있다.

상기 편향판(12)의 성형을 위한 작업은 통상적인 펀칭(PUNCHING) 작업으로서, 별도의 프레스(PRESS) 금형 및 펀칭 금형을 필요로 한다.

상기와 같은 보호 튜브(11)는 육각 홀더(1)의 하단부에 결합된 상태에서 스폿 용접(SPOT WELDING) 또는 레이저 용접(LASER WELDING)에 의해 육각 홀더(1)에 고정되어, 세라믹 센서 소자(3)를 보호하게 된다.

도면중 a는 스폿 용접 또는 레이저 용접에 따른 용접 부위를 보인 것이다.

상기와 같이 구성되는 종래 기술에 의한 자동차용 산소 센서는 배기 가스의 배출 경로 상에 고정 설치되는 바, 배기 가스의 배출 경로를 따라 배출되는 배기 가스가 보호 튜브(11)를 지나면서 그 외주면에 형성된 편향판(12)의 안내를 받으며 흡기공(13)을 통해 보호 튜브(11)의 내부를 통과하게 된다.

이 때, 상기 편향판(12)이 보호 튜브(11)의 내주면에 일정한 방향성을 갖고 배열되어 있으므로 흡입 배기 가스는 회전 현상(SWIRL)을 일으키면서 보호 튜브(11)의 내부로 흡입되어 세라믹 센서 소자(3)에 접촉하게 되며, 상기 세라믹 센서 소자(3)에 의해 배기 가스 중의 산소 농도를 감지하여 ECU로 전달함으로써 엔진 연소실 내의 공연비를 일정하도록 제어하게 되는 것이다.

상기 세라믹 센서 소자(3)는 보호 튜브(11)의 내부에 수납되어 있으므로 배기 가스와 세라믹 센서 소자(3) 간의 직접 접촉에 의한 냉각 현상을 방지하며, 배기 가스 중에 포함된 이물질과의 직접 접촉을 피할 수 있다.

그러나, 상기와 같은 자동차용 산소 센서는 육각 홀더(1) 및 보호 튜브(11)를 별도로 가공 또는 프레스 제작하여 결합하여야 하는 조립 공정을 필요로 함으로써 생산성을 저하시키는 단점이 있었다.

특히, 보호 튜브(11)의 경우에는 별도의 프레스 금형 및 펀칭 금형 등이 필요로 할 뿐만 아니라, 고가의 레이저 용접기를 필요로 하는 등, 생산 원가 절감 측면에 볼 때 매우 불리하였다.

또한, 기존의 보호 튜브(11)로는 배기 가스의 회전 효과가 미흡하여 평판형 센소 센서의 출력 특성을 향상시키는데 한계가 있었다.

뿐만 아니라, 세라믹 센서 소자(3)의 배기 가스 노출 부위가 상대적으로 넓은 관계로 산소 센서의 전체적인 강도 및 내구성이 저하되는 등의 여러 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 주 목적은 별도의 금형 작업 및 용접 작업을 배제하여 제조 공정을 보다 단순화함으로써 생산성 향상에 기여할 수 있도록 하고, 센서의 출력 특성을 향상시키도록 예각의 구멍을 가공하여 배기 가스의 회전 효과를 극대화시킬 수 있도록 한 자동차용 산소 센서를 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 보호 튜브의 길이를 짧게 하고, 세라믹 센서 소자의 노출 부위를 감소시킴으로써 강도 및 내구성 향상에 기여할 수 있도록 한 자동차용 산소 센서를 제공하려는 것이다.

도 1 내지 도 3은 종래 기술에 의한 자동차용 산소 센서의 일례를 보인 것으로,

도 1은 종단면도.

도 2는 보호 튜브의 정면도.

도 3은 도 2의 A - A선 단면도.

도 4 내지 도 6은 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서의 일실시례를 보인 것으로,

도 4는 종단면도.

도 5는 보호 튜브 일체형 육각 홀더의 종단면도.

도 6은 도 5의 B - B선 단면도.

도 7 및 도 8은 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서의 다른 실시례를 보인 것으로,

도 7은 종단면도.

도 8은 보호 튜브 일체형 육각 홀더의 종단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 ; 보호 튜브 일체형 육각 홀더 11 ; 보호 튜브부

12 ; 육각 홀더부 13,14 ; 흡기공

15 ; 나사부 16,17 ; 제1 및 제2 단턱부

20 ; 센서 어셈블리 21 ; 세라믹관

22 ; YSZ 센서 소자 23 ; 세라믹 소형 히터

24 ; 글래스 파우더 25 ; 세라믹 시멘트

31; 아웃 커버(Out-Cover) 32 ; 인너 커버(Inner-Cover)

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 배기 가스의 접촉부인 보호 튜브와 센서 소자 어셈블리를 둘러싸고 있는 육각 홀더를 일체화하고, 이 보호 튜브 일체형 육각 홀더에 YSZ(Yttria Stabilized Zrconia) 센서 소자와 세라믹 히터가 유리질(Glass)과 세라믹 시멘트에 의해 고정된 센서 어셈블리를 조립시켜 자동차용 산소 센서를 제조함을 특징으로 한다.

또한, 상기 보호 튜브부의 외주면에 중심에 대하여 소정의 경사각을 갖도록 수개의 흡기공이 일정한 방향으로 형성된다.

상기 흡기공의 경사각은 예각을 이루도록 구성된다.

상기 흡기공은 보호 튜브부의 외주면에 적어도 1 이상의 단을 이루며 형성된다.

상기 보호 튜브부의 저부 중앙부에 상하부를 관통하는 흡기공이 더 형성된다.

상기 센서 어셈블리를 이루는 YSZ 센서 소자 및 세라믹 소형 히터를 보호 튜브부의 내부로 돌출시키되, 그 YSZ 센서 소자 및 세라믹 소형 히터의 돌출 길이를 폭에 비하여 1 ∼ 2배 정도로 길게 형성한다.

이하, 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서를 첨부 도면에 도시한 실시례에 따라서 설명하면 다음과 같다.

도 4 내지 도 6은 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서의 일실시례를 보인 것으로, 도 4는 종단면도이고, 도 5는 도 4에 사용된 보호 튜브 일체형 육각 홀더의 종단면도이며, 도 6은 도 5의 B - B선 단면도이다.

도면에 도시한 자동차용 산소 센서는 평판형 산소 센서로서, 그 구성을 살펴보면, 하부에는 보호 튜브부(11)가 형성되고 상부에는 육각 홀더부(12)가 형성된 보호 튜브 일체형 육각 홀더(10)에 센서 어셈블리(20)를 결합 고정하여 구성한 것을 특징으로 하고 있다.

상기 보호 튜브 일체형 육각 홀더(10)는 보호 튜브부(11)의 외주면에 중심에 대하여 소정의 경사각(Z)을 갖도록 수개의 흡기공(13)이 일정한 방향으로 형성되어 있다.

상기 흡기공(13)의 경사각(Z)은 예각으로서, 더욱 좋기로는 30°∼ 60°로 설정한다.

상기 흡기공(13)은 도면에 도시한 바와 같이, 소정의 높이 차이를 갖도록 3단으로 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 꼭 이에 한정하는 것은 아니며, 그 이하 또는 그 이상으로 형성하여도 무방하다.

또한, 상기 보호 튜브부(11)의 저부 중앙부에는 상하부와 통하는 또 다른 흡기공(14)이 형성되어 있다.

상기 흡기공(14)은 상측의 흡기공(13)과는 달리 직각의 통형으로 성형하였다.

상기 육각 홀더부(12)는 외주면에 배기관 등과의 체결을 위한 나사부(15)가 형성되어 있으며, 상단부에는 아웃 커버(Out-Cover)(31)와 인너 커버(Inner- Cover)(32)와의 체결을 위한 제1 및 제2 단턱부(16)(17)가 형성되어 있다.

상기와 같은 보호 튜브 일체형 육각 홀더(20)는 내열 내식성 재료를 이용하여 제작하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 센서 어셈블리(20)는 보호 튜브 일체형 육각 홀더(20)의 내부에 결합되는 세라믹관(21)과, 양측에 서로 평행하도록 밀착 고정되고 상기 세라믹관(21)에 하측으로 소정 길이만큼 돌출되도록 결합되는 YSZ(Yttria Stabilized Zrconia) 센서 소자(22) 및 세라믹 소형 히터(23)와, 상기 세라믹관(21)의 내부에 충진되는 글래스 파우더(GLASS POWDER)(24)와, 상기 세라믹관(21)의 상부에 세라믹관(21)의 상부를 감싸도록 충진되는 세라믹 시멘트(25)를 포함하고 있다.

상기 세라믹 시멘트(25)는 인너 커버(32)의 내부를 채우도록 충진하는 것이 바람직하다.

도면중 미설명 부호 41은 고무 패킹(Rubber Packing), 42는 신호 인출 및 히터 전압 인가를 위한 와이어를 각각 보인 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서는 먼저, 세라믹관(21)에 센서 소자(22) 및 세라믹 소형 히터(23)을 평행하게 밀착되도록 하는 동시에 세라믹관(21)의 하측으로 소정 길이만큼 돌출되도록 결합시키고, 상기 세라믹관(21)의 내부에 글래스 파우더(24)를 충진시킨 후, 상기 세라믹관(21)의 상부에 세라믹 시멘트(25)를 충진시켜 센서 어셈블리(20)를 조립한다.

상기 센서 어셈블리(20)를 보호 튜브 일체형 육각 홀더(20)의 내부에 결합하고, 상기 보호 튜브 일체형 육각 홀더(20)의 제1 및 제2 단턱부(16)(17)에 아웃 커버(31) 및 인너 커버(32)를 결합한다. 이 때 제1 단턱부(17)에 인너 커버(32)를 결합 후, 세라믹 시멘트(25)를 재충전시킨 뒤, 제2 단턱부(16)에 아웃 커버(31)를 결합한다.

상기 인너 커버(32)의 상부에 패킹 고무(41)를 지지한 상태에서 아웃 커버(31)의 하단부를 보호 튜브 일체형 육각 홀더(10)에 고정시킴으로써 본 발명의 자동차용 산소 센서를 조립하게 되는 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서에 의하면, 배기 가스 경로를 따라 배출되는 배기 가스가 보호 튜브 일체형 육각 홀더(20)의 보호 튜브부(21)를 지나면서 그 보호 튜브부(21)의 외주면에 흡기공(13)을 통해 보호 튜브부(21)의 내부를 통과하게 된다.

이 때, 상기 흡기공(13)은 중심에 대하여 30°∼ 60°의 경사각(Z)을 갖고 일정한 방향으로 형성되어 있고, 보호 튜브부(21)의 저부 중앙부에 상하부를 관통하는 흡기공(14)이 형성되어 있으므로 흡입 배기 가스는 회전 현상(SWIRL)을 일으키면서 보호 튜브부(21)의 내부로 흡입되어 YSZ 센서 소자(11) 및 세라믹 소형 히터(23)에 접촉하게 되며, 이로 인해 배기 가스 중의 산소 농도를 감지하여 나타나는 전기적 신호인 센서 출력 특성이 린 시프트(Lean Shift)없이 양호한 값을 나타나게 된다.

상기 YSZ 센서 소자(11) 및 세라믹 소형 히터(23)는 기존의 경우와 마찬가지로 보호 튜브부(21)의 내부로 위치되어 있으므로 배기 가스의 직접 접촉에 의한 YSZ 센서 소자(11)의 냉각 현상을 방지하고, 배기 가스 중에 포함된 이물질과의 직접 접촉을 피할 수 있는 것이다.

한편, 도 7 및 도 8은 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서의 다른 실시례를 보인 것으로, 세라믹관(21)의 하측으로 돌출되는 YSZ 센서 소자(22) 및 세라믹 소형 히터(23)의 길이(L)를 YSZ 센서 소자(22) 및 세라믹 소형 히터(23)의 폭(W)에 비하여 1 ∼ 2배 정도로 최소화하여 전체적으로 돌출 길이(L)를 짧게 함으로써 YSZ 센서 소자(11) 및 세라믹 소형 히터(23)의 강도 및 내구성을 향상킬 수 있다.

이 경우, YSZ 센서 소자(11) 및 세라믹 소형 히터(23)의 돌출 길이(L)가 짧아진만큼 보호 튜브부(21)의 높이(H)도 그에 상응하도록 짧게 형성하는 것이 바람직하다.

도면중 본 발명의 일실시례와 동일한 부분에 대하여는 동일 부호를 부여하였다.

상기와 같이 본 발명은 그 실시례로서 자동차용 평판형 산소 센서를 설명하였으나, 꼭 이에 한정할 필요는 없으며 그 외에도 농담 전지형, 반도체 타입 및 제한 전류형 타입과 같은 모든 자동차용 산소 센서에 적용이 가능하다.

또한, 자동차용 산소 센서에만 한정하지는 않으며 기본적으로 유사한 구성을 갖는 촉매 열화 감지 센서 및 낙스(NOx) 센서에도 적용할 수 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서는, 보호 튜브 일체형 육각 홀더와 그 내부에 센서 어셈블리로 구성되며, 별도의 금형 작업 및 용접 작업을 배제하여 제조 공정을 보다 단순화함으로써 생산성 향상에 기여하고, 배기 가스가 지나는 보호 튜브부에 예각의 구멍을 뚫어 센서 출력 특성을 향상시킨다.

또한, 보호 튜브의 길이를 짧게 하고, 세라믹 센서 소자의 노출 부위를 감소시킴으로써 강도 및 내구성 향상에 기여하는 등의 효과가 있다.

Claims (6)

1. 자동차 배기 가스와의 직접 접촉 부위인 보호 튜브부와 내부에 센서 어셈블 리가 조립되는 육각 홀더를 일체화한 보호 튜브 일체형 육각 홀더를 사용하여 제작한 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 보호 튜브부의 외주면에 중심에 대하여 소정의 경사각을 갖도록 수개의 흡기공이 일정한 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 흡기공의 경사각은 예각을 이루도록 구성된 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡기공은 보호 튜브부의 외주면에 적어도 1 이상의 단을 이루며 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 보호 튜브부의 저부 중앙부에 상하부를 관통하는 흡기공이 더 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 어셈블리를 이루는 YSZ 센서 소자 및 세라믹 소형 히터를 보호 튜브부의 내부로 돌출시키되, 그 YSZ 센서 소자 및 세라믹 소형 히터의 돌출 길이를 폭에 비하여 1 ∼ 2배로 형성함을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.